ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНА МЕДИ (II) РАСТВОРОМ 1-(2-ГИДРОКСИ-1-НАФТОЙЗО)-2-НАФТОЛ-4-СУЛЬФОНОВОЙ КИСЛОТЫ

АННОТАЦИЯ

Рекомендовано определение иона меди (II) с раствором 1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислоты (ГННC) экстракционно-спектрофотометрическим и циклическим вольтамперометрическим методами. Изучены оптимальные условия: коэффициент распределения 0.97, выбор органического растворителя, соотношение объемов органической и водной фаз равно 1:8, стандартный потенциал -0.55 V и нижний предел обнаружения 0.94 мкг/л. Светопоглощение реагента 500 нм [1], контрастность равна 90 нм и контрастность потенциала равна 1,02 V это доказывает высокую чувствительность разработанного метода. Разработанный метод сопоставлен с другими методами и это доказана что разработанный метод не уступает другим методам.

АBSTRАCT

Recommended determination of copper (II) ion with 1-(2-hydroxy-1-naphthoazo)-2-naphthol-4-sulfonic acid (HNSA) by extraction-spectrophotometric and cyclic voltammetric methods. The optimal conditions: distribution coefficient of 0.97, choice of organic solvent, ratio of organic and aqueous phase volumes equal to 1:8, standard potential of -0.55 V and lower detection limit of 0.94 μg/l were studied. Light absorption of reagent is 500 nm [1], contrast equal 90 nm and potential contrast equal 1.02 V this proves high sensitivity of the developed method. The developed method was compared with other methods and it was proved that the developed method is not inferior to other methods.

Ключевые слова: экстракционно-спектрофотометрический метод, коэффициент распределения, стандартный потенциал, 1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислоты (ГННС), медь.

Kеywоrds: ехtrаctiоn-spеctrоphоtоmеtry, distributiоn cоеfficiеnt, stаndаrd pоtеntiаl, 1-(2-hydrохy-1-nаphthоаzо)-2-nаphthоl-4-sulfоnic аcid (HNSА), cоppеr.

ВВЕДЕНИЕ

Из литературы известно, что медь является относительно редким элементом в природе, составляя 4,7·10^-3% массы земной коры и содержащим железо, серебро и редко золото. Медь используется как полудрагоценный металл во многих отраслях промышленности. Например, она находит свое применение в производствах электрических кабелей, электронных приборов, коррозионно-стойких сплавов, ювелирных изделий и других отраслях промышленности.

 Настоящее время важно идентифицировать и извлечения ионы меди из объектов окружающей среды. Например, при добыче драгоценных металлов ионы меди выделяются как побочный металл в технологических растворах. Его выявление и извлечения считаются актуальной проблемой.

Ион меди определяется через 1-((4-(1-(2-гидрохифенилимино) этил)фенил)) диазенил) нафталин-2-ол (ГПЭДН) [3], 1-фенил-2-(2-гидрокси-4-нитрофенил гидразо) бутадионом-1,3 [6], 1-(2-пиридилазо)-2-нафтол (ПАН) [4], N,N'-бисалицилиден-2 ,3-диаминопиридин (H2IF) [7], (2,4-динитрофенол-(6-азо-2)-1-нафтол-3,8-дисульфокислота [2], динатриевая золь 4-гидрокси-3-(4-сульфонато-1-нафтилазо)-1-нафталинсульфоната (4-GSNNS) [5], N-бензилоил-N'-(фенилсульфонил) гидразином [1] органических реагентов с использованием оптических, электрохимических, колориметрических, рациометрических флуоресцентных и других методов.

В настоящее время разработка экономически доступных и эффективных методов считается необходимостью. Целью данной статьи является разработка методики экстракционно-спектрофотометрического и цикловольтамперометрического обнаружения иона меди (II) с использованием органического реагента 1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислоты.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Ион Cu(II) образует комплексное соединение с HNSA в 0,1 М серной кислоте, и может быть выделен из раствора экстрагированием органическими растворителями, такими, как толуолом хлороформ и бензол «х.ч.» или «х.ч.a.»

Электронные спектры комплекса ионов меди (II) с HNSA снимали на UV-VIS спектрофотометре ЕMC-30PC-UB. Электрохимические исследования проводили с применением потенциостата-гальваностата серии CSPоtеntiоstаt / Gаlvаnоstаt, позволяющего проводить циклические вольтамперометрические измерения. Рабочим электродом служила платиновая проволока, а сравнения – насыщенный хлоридсеребряный электрод.

рН-метрические измерения и потенциометрическое титрование проводили с применением рН-Ox-Red-метра P25 Ecomet (Корея).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Известно, что на образование комплекса влияют природа растворителя, кислотность раствора и коэффициент распределения Cu(II) между водной и органической фазами.

Ранее проведенными исследованиями установлено, что электронная плотность органического реагента составляла 0,203–0,247 гидроксильных групп в кольце и 0,070–0,042 -N=N-группы [11]. Ионы металлов образуют химическую связь именно с этими группами.

Причина применения безкислородсодержащих растворителей – хлороформа, бензола и толуола в качестве экстрагентов заключается в том, что они не смешиваются с водой и отличаются от органического реагента константами диссоциации и устойчивостью комплекса.

Максимальное светопоглощение 0,1 % спиртового раствора реагента1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислоты (ГННС) измеряли в спектрофотометре. В делительную воронку объемом 50 мл добавили 1,0 мл раствора меди (II) концентрацией 64 мкг/мл, 2,0 мл реагента ГННС, 3,0 мл 0,1 М серной кислоты, 12,0 мл дистиллированной воды и 2,0 мл раствора хлороформа, толуола и бензола в качестве экстрагента. Смесь встряхивали в течение 2 минут и давали отстояться.  Органический слой отделяли с помощью делительной воронки и измеряли оптическую плотность образовавшегося комплекса (λ_mах= 590, l = 1,0 см).  Полученные данные приведены в таблице 1. Этот процесс был повторен с другими экстрагентами: толуолом и бензолом.

Таблица 1.

Оптическая плотность комплексного соединения, экстрагируемого различными растворителями

Степень извлечения комплексного соединения меди с 1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислоты оказалась самой высокой в ​​хлороформе.  По этой причине в качестве экстрагента для разделения меди с 1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислотыбыл выбран хлороформ.

Объемное соотношение водной и органической фаз от 1:8 до 1:9 не приводит к снижению уровня экстракции элементов.

Степень извлечения меди с 1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислоты измерена и приведена в таблице 2.

Таблица 2.

Зависимость степени извлечения (R%) при экстракции иона меди (II) от объемного соотношения водной и органической фаз

Установлено, что оптимальным соотношением водной и органической фаз для извлечения ионов меди с помощью1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислотыявляется соотношение 1:8.

Для изучения зависимости состава комплексного соединения от количества добавленного реагента добавляли 1,0 мл раствора меди (II) концентрацией 64 мкг/мл, различные объемы 0,1%-ного раствора 1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислоты в спирте (0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,50; 3,0 мл), 3,0 мл 0,1 М раствора серной кислоты, 12,0 мл дистиллированной воды и 2,0 мл раствора хлороформа в емкостью 50 мл делительную воронку.  Оптические плотности были изучены и приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Влияние оптической плотности на количество реагента (C_Cu(II) = 64 мкг/мл; λ_maх =590 нм , l = 1,0 см, экстрагент хлороформ, C_M = 0,1 H₂SО₄ )

Из результатов исследования можно заметить, что оптическая плотность увеличивалась с возрастанием количества реагента в составе смеси. В результате взаимодействия с 1,0 мл раствора, содержащего 64,00 мкг/мл меди и 2,0 мл раствора, содержащего 0,1 % реагента 1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислоты, оптическая плотность достигала наибольшего значения. Снижение оптической плотности наблюдалось, когда количество реагента превышало 2,0 мл.

Мольное соотношение комплексных соединений определяется методом Бента-Френча [4]. Результаты приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. График Бента-Френча  для определения молярных соотношений реагента ГННС с комплексами ионов меди (II)

Из рисунка 1 можно сделать вывод, что комплексное соединение иона меди (II) с 1-(2-гидрокси-1-нафтоазо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислотой образуется в соотношении  Me:R 1:1.

Доказать, что ионы меди образуют комплекс, можно с помощью циклической вольтамперометрии, которая является одним из наиболее информативных методов электрохимического анализа, позволяющего одновременно анализировать анодную и катодную ветви полярограмм, и по ним находить потенциалы максимальных анодных и катодных токов и судить об обратимости электрохимической системы и возможном механизме переноса электронов.  

 Известно, что стандартный потенциал реагента ГННС составляет 0,47 вольта [10], а стандартный потенциал комплекса, образованного с ионом меди (II), составил -0,55 вольта. Смещение стандартного потенциала в отрицательную область доказывает, что комплекс сформировался. Угол потенциала полуволны равный 0,058 вольта, доказывает, что число электронов, участвующих в реакции, равно 1, то есть соотношение металла и реагента равно 1:1.

Нижний предел обнаруженияионов Cu²⁺определяли по следующей формуле:

ɛ_реал- истинный молярный коэффициент экстинкции;

V  – объем раствора, (25 мл);

В – атомная масса элемента ( Cu =64,00 г);       

l – длина оптического пути  (1,0 см);

M – количество атомов меди, входящих в комплекс;

 – стандартное отклонение, ( =0,001);

Q _мин. – предел определения

В результате полученных показателей и расчетов установлено, что Qmin. –нижний предел обнаружения ионов меди равен 0,94 мкг/л.

Разработанный метод сопоставлен с другими методами и представлен в таблице 4.

Таблица 4.

Сравнение с предыдущими работами по определению Cu(II)

Из таблицы выше видно, что разработанный авторами метод не уступает другим его аналогам.

Заключение

Полученные результаты показывают, что разработанный экстракционно-спектрофотометрическим и электрохимическимметодами рекомендуется для обнаружения и извлечения иона меди (II) из состава раствора с реагентом 1-(2-гидрокси-1-нафтоязо)-2-нафтол-4-сульфоновой кислоты в присутствии кислоты H₂SO₄. Изучено, что хлороформ является лучшим экстрагентом, и коэффициент распределения равен 0.97 в хлороформе, нижний предел обнаружения ионов меди достаточен, контрастности доказывает высокую чувствительность разработанного метода. Выявлено, что разработанный метод не уступает другим существующим аналогам.

Список литературы:

1. Ельчищева Ю.Б., Ситникова М.А., Павлов П.Т. Разработка спектрофотометрической методики определения ионов меди (II) с N-бензилоил-N`-(фенилсульфонил)гидразином // Вестник Пермского университета. Серия «Химия». – 2023. – Т. 13. – № 2. – С. 83–91. http://dоi.оrg/10.17072 /2223-1838-2023-2-83-91.
2. Кузьмин И.И., Чыонг Т.Х., Симакина Я.И., Михайлова А.В., Фабелинский Ю.И. Определение ионов меди(II) методом спектроскопии диффузного отражения // Тонкие химические технологии. – 2019. – Т. 14. – № 2. – C. 78–86.
3. Расулов Ч.К., Гусейнова Г.А. Определение ионов меди методом экстрактивной спектрофотометрии // Вестник Башкирского государственного педагогического университета им. М. Акмуллы. – 2022. – №3. – Т. 64. – С. 214–219. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cybеrlеninkа.ru/аrticlе/n/оprеdеlеniе-iоnоv-mеdi-mеtоdоm-еkstrаktivnоy-spеktrоfоtоmеtrii(дата обращения: 05.11.2024).
4. Справочник химика 21. Ограниченно-логарифмический метод (метод Бента – Френча). – C. 311–313. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  https://www.chem21.info/info/1600802/ (дата обращения: 10.11.2024).
5. Турабов Н.Т., Хусанов Б.М., Тоджиев Ж.Н., Эшмурзаев Й.Ш., Тошходжаев М.А. Новый способ спектрофотометрического определения ионов меди(II) // Univеrsum: химия и биология : электрон. научн. журн. – 2023. – T. 6. – № 108. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:   https://7univеrsum.cоm/ru/nаturе/аrchivе/itеm/15620. (дата обращения: 10.11.2024).
6. Аyvаzоvа А., Mughаlоvаm G., Chirаgоv F. Spеctrоphоtоmеtric mеthоd fоr dеtеrminаtiоn оf cоppеr (II) micrоquаntitiеs in а bаnаnа, mushrооms аnd pеа // Nеw Mаtеriаls, Cоmpоunds аnd Аpplicаtiоns. – 2019. – Vоl. 3. – Iss. 1. – P. 23–28. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  https://uоkеrbаlа.еdu.iq/wp-cоntеnt/uplоаds/2024/09/Prеpаrаtiоn-Chаrаctеrizаtiоn-аnd-Spеctrоphоtоmеtric-dеtеrminаtiоn-оf-CоbаltII-NickеlII-аnd-CоppеrII-iоns-using-nеw-Schiff-аnd-Аzо-Schiff-rеаgеnts.pdf (дата обращения: 15.11.2024).
7. Bаbаyеvа K., Dеmir S., Аndаc M. А nоvеl spеctrоphоtоmеtric mеthоd fоr thе dеtеrminаtiоn оf cоppеr iоn by using а sаlоphеn ligаnd, N,N′-disаlicylidеnе-2,3-diаminоpyridinе // Jоurnаl оf Tаibаh Univеrsity fоr Sciеncе. – 2017. – Vоl. 11, Iss. 5. – P. 808–814.
8. Ghаrаnjik R., Nаssir M., Hаshеmi H. Spеctrоphоtоmеtric Dеtеrminаtiоn оf Cоppеr аnd Nickеl in Mаrinе Brоwn Аlgаеаftеr Prеcоncеntrаtiоn with Surfаctаnt Аssistеd Dispеrsivе Liquid-Liquid Micrоехtrаctiоn // Irаniаn Jоurnаl оf Chеmistry аnd Chеmicаl Еnginееring. – 2020. – Vоl. 39. – Iss. 3. – P. 117–126.
9. Kawan F. Kayani, Ahmed M. Abdullah. Eco-friendly fluorescent detection method for Cu²⁺ ions combined with smartphone-integrated paper strip sensors based on highly fluorescent 2-aminoterephthalic acid in milk samples // Journal of Food Composition and Analysis. – 2024. – Vol. 135. 106577.https://doi.org/10.1016/j.jfca.2024.106577.
10. Tursunqulоv J., Qutlimurоtоvа N., Fаyzullаyеvа M., Bеrdimurоdоv Е., Rахimоv S., Smanova Z., Dаdаmаtоv А., Аliеv N., Hоssеini-Bаndеghаrаеi A. Еlеctrоchеmicаl dеtеrminаtiоn оf zircоnium iоns using 1-(2-hydrохy-1-nаphthоyаzо)-2-nаphthоl-4-sulphоnic аcid аs а nоvеl rеаgеnt // Intеrnаtiоnаl Jоurnаl оf Еnvirоnmеntаl Аnаlyticаl Chеmistry. – 2024. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.tаndfоnlinе.cоm/dоi/аbs/10.1080/03067319.2024.2333988. (дата обращения: 05.11.2024).
11. Tursunqulоv J.B., Qutlimurоtоvа N.H., Rаhimоv S.B., Kutlimurоtоvа R.H. Ехtrаctiоn-spеctrоphоtоmеtric dеtеrminаtiоn оf scаndium (III) iоn with 1-(2-hydrохy-1-nаphtоyаzо)-2- nаphthоl-4-sulfоcid sоlutiоn // Univеrsum: химия и биология : электрон. научн. журн. – 2024. – Т.2. –  № 116. – С. 36–44. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7univеrsum.cоm/ru/nаturе/аrchivе/itеm/16673. (дата обращения: 10.11.2024).
12. Xinyan Lv, Huiyi Hu, Lifeng Yao, Lili Deng, Xiuhong Liu, Lide Yu, Haifeng He.Fabrication of surface ion imprinting rice husk-based polymer for selective detection and efficient adsorption of Cu²⁺ in lake water. // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2023. – Vol. 298. – 122723. https://doi.org/10.1016/j.saa.2023.122723